Spindel- und Lagerungstechnik Fraureuth Hybridlager gehören bereits zum industriellen Standard

Redakteur: Stefanie Michel

Keramikkugeln ermöglichen höhere Drehzahlen mit Wälzlagern. Doch dank zusätzlicher Vorteile hat sich der Einsatzbereich dieser Hybridlager kontinuierlich vergrößert. Jetzt ist es an der Zeit, die Eigenschaften bereits in der Konstruktionsphase zu berücksichtigen.

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Nicht mehr nur für hohe Drehzahlen geeignet: Hybridlager entwickeln sich zunehmend zum Problemlöser für anspruchsvolle Anwendungen.
Nicht mehr nur für hohe Drehzahlen geeignet: Hybridlager entwickeln sich zunehmend zum Problemlöser für anspruchsvolle Anwendungen.
(Bild: SLF Fraureuth)

Auf der Suche nach Leistungssteigerung und erhöhter Zuverlässigkeit bei Kugel- und Rollenlagern trifft man immer häufiger Wälzlager mit keramischen Komponenten. Seit 4 Jahrzehnten entwickeln sich Wälzlager mit keramischen Komponenten zunehmend zum Problemlöser bei anspruchsvollen Anwendungen und unter ungewöhnlichen Einsatzbedingungen.

Die besonderen Materialeigenschaften der Keramik

Neben einer Vielzahl von Standardtypen entwickelt, produziert und vertreibt SLF – Spindel- und Lagerungstechnik Fraureuth GmbH – kundenspezifische Lösungen in Standardwerkstoffen, aber in deutlich wachsendem Umfang auch Hybridwälzlager.

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Als Hybridwälzlager bezeichnet man Wälzlager, bei denen zwei unterschiedliche Werkstoffe, wie konventionelle Wälzlagerstähle oder auch Spezialstähle für die Lagerringe und Siliciumnitrid-Keramik (Si3N4) als Werkstoff für die Wälzkörper, kombiniert werden. Selbstverständlich gibt es weitere infrage kommende Werkstoffpaarungen, allerdings hat sich Si3N4 mit seinen außergewöhnlichen Eigenschaften durchgesetzt. Die gängigsten Typen sind Rillenkugellager, Schräg- und Spindelkugellage, sowie Zylinderrollenlager.

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Stromisolierende Wälzlager

Bei Hybridlagern übernehmen die Wälzkörper aus Keramik die Funktion der Stromisolierung. Sie bieten damit höchsten Widerstand gegen Stromdurchgang.

In einem Drehstrommotor beispielsweise würde die Spannung, die längs der Welle induziert wird, einen Stromfluss über die Wälzkörper auslösen. Durch den Einsatz eines stromisolierenden Lagers auf der meist weniger belasteten Loslagerseite wird dieser unterbrochen. Das verhindert einen frühzeitigen Lagerausfall.

Außerdem bieten solche Lager für viele Anwendungen zahlreiche Vorteile:

  • höhere Drehzahl
  • gleiche dynamische Tragzahlen und 30 % geringere statische Tragzahlen
  • geringere Reibung
  • bessere Notlaufeigenschaften
  • größere Fettgebrauchsdauer
  • geringeres Gewicht
  • größere Lagersteifigkeit

Hybridlager zeigen geringe Neigung zu adhäsivem Verschleiß

Ursprünglich suchte man einfach nur nach Lösungen, um höhere Drehzahlen mit Wälzlagern zu erzielen. Dies konnte mit Si3N4 aufgrund der niedrigeren Dichte und dadurch reduzierten Fliehkräfte erreicht werden. Gleichzeitig zeigte sich allerdings, dass Si3N4 einige weitere, für den Einsatz in Wälzlagern höchst interessante Eigenschaften mitbringt.

Si3N4 ist als Kugelwerkstoff elektrisch isolierend und hoch korrosionsbeständig. Die guten tribologischen Eigenschaften im Zusammenspiel mit Stahl führen zu reduzierter Reibung und damit auch zu geringerer Eigenerwärmung.

Ein entscheidender Vorteil, nämlich die äußerst geringe Neigung zu adhäsivem Verschleiß (Fressen), erlaubt eine wesentlich höhere Bandbreite bei der Auswahl von Schmierstoffen. Oft kann eine Ölschmierung durch eine Lebensdauerfettschmierung ersetzt werden. Man nutzt diese besonderen Eigenschaften und betreibt Lagerungen bewusst unter Mangelschmierungsbedingungen. Sogar Medienschmierung (zum Beispiel in Wasser oder in direkter Produktumgebung) und in Einzelfällen absoluter Trockenlauf ist möglich. Dass hierbei Einschränkungen bezüglich der Belastungen und Lebensdauern hinzunehmen sind, ist unumgänglich.

Diese einzigartigen Eigenschaften tragen in der großen Mehrzahl der Anwendungen dazu bei, dass Hybridwälzlager zuverlässig funktionieren und wesentlich höhere Standzeiten erreichen als herkömmliche Lagerausführungen.

Bei schwierigen Einsatzbedingungen sind Hybridlager Problemlöser

Überall dort, wo hohe Drehzahlen, erhöhte Temperaturen, schwierige Umgebungs- und Schmierungsverhältnisse, elektrische Isolierung sowie hohe Zuverlässigkeit und Standzeit entscheidende Aspekte sind, zählen Hybridlager zur engeren Wahl. Der sicherlich höhere Preis rechtfertigt sich häufig über die Betrachtung der gesamten Lebenszykluskosten.

Typische Anwendungsbeispiele, in denen Hybridlager ihre überlegenen Eigenschaften ausspielen können findet man in der gesamten Lebensmittelindustrie. In direkter Umgebung mit Lebensmitteln bestehen sehr häufig Einschränkungen bezüglich der Schmierung. Die Reinigung mit aggressiven Chemikalien sowie häufig direkter Kontakt mit dem zu verarbeitenden Produkt führen schnell zu sehr unwirtlichen Betriebsbedingungen. Konventionelle Lager können dann Mangelschmierung und Korrosion neben den hohen mechanischen Beanspruchungen nicht mehr bewältigen.

Insbesondere beim Abfüllen und Verschließen von Getränken wird unter immer höheren Hygienestandards produziert. Schmierstoffe und schlecht zugängliche Maschinenelemente neigen zur Verkeimung. Daher versuchen Entwickler und Anlagenbetreiber immer häufiger, gänzlich auf Schmierstoff zu verzichten. Gerade hier kommen dann Hybridlager mit Ringen aus hoch überrollfestem Cronidur 30, Käfigen aus PEEK und Kugeln aus Si3N4 zum Einsatz. Im Zusammenspiel dieser hochwertigen Werkstoffe, sind Hybridlager hervorragend für solche Anforderungen gerüstet. Dabei konnte trotz erheblich schwierigerer Bedingungen die Lebensdauer im Vergleich mit den bis dahin verwendeten Lösungen drastisch erhöht werden.

Oft können baugleiche Hybridlager Stahllager ersetzen

Die konstruktive Auslegung und Implementierung von Hybridlagern in konkrete Anwendungen ist immer noch schwierig. Grundsätzlich gilt: Konventionelle Lager können durch baugleiche Hybridlager ersetzt werden. Nur für den Fall, dass die bisher verwendeten Stahllager statisch überlastet sind, funktionieren Hybridlager nicht besser. In allen anderen Fällen können Stahllager bedenkenlos substituiert werden.

Leider geben die heutigen Grundlagen zur Lebensdauerberechnung keinen wirklichen Aufschluss über das enorme Potenzial von Hybridwälzlagern. In der aktuellen DIN 281, Beiblatt 5:2011, wurde definiert, dass für Hybridwälzlager trotz geringerer statischer Tragzahl, die für die Lebensdauerberechnung wichtige dynamische Tragzahl mit der von Stahllagern faktisch gleichgesetzt wird. Rechnerisch ergeben sich daher nahezu identische Lebensdauern. Man ist also weiterhin, insbesondere in technischen Bereichen abseits von üblichen Betriebsparametern, auf Erfahrungswerte und allgemeine Auslegungsrichtlinien für Hybridlager angewiesen.

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Stromisolierende Wälzlager

Bei Hybridlagern übernehmen die Wälzkörper aus Keramik die Funktion der Stromisolierung. Sie bieten damit höchsten Widerstand gegen Stromdurchgang.

In einem Drehstrommotor beispielsweise würde die Spannung, die längs der Welle induziert wird, einen Stromfluss über die Wälzkörper auslösen. Durch den Einsatz eines stromisolierenden Lagers auf der meist weniger belasteten Loslagerseite wird dieser unterbrochen. Das verhindert einen frühzeitigen Lagerausfall.

Außerdem bieten solche Lager für viele Anwendungen zahlreiche Vorteile:

  • höhere Drehzahl
  • gleiche dynamische Tragzahlen und 30 % geringere statische Tragzahlen
  • geringere Reibung
  • bessere Notlaufeigenschaften
  • größere Fettgebrauchsdauer
  • geringeres Gewicht
  • größere Lagersteifigkeit

Hybridlager als Alternative für problematische Lagerstellen

Hybridwälzlager haben sich vom Nischendasein zur echten Alternative für problematische Lagerstellen entwickelt. Neben Werkzeugmaschinenspindeln, wo Hybridlager schon lange etabliert sind, finden sich in vielen Industriebereichen Anwendungen, in denen Hybridlager konventionelle Lager substituieren. Der nächste, konsequente Schritt ist die Berücksichtigung der besonderen Eigenschaften von Hybridwälzlagern bereits in der Design- und Konstruktionsphase. Dort ergeben sich dann schon in der Konzeptfindung interessante Lösungen, die sich mit qualitativ hochwertigen Hybridwälzlagern erheblich leichter verwirklichen lassen.

Die Spindel- und Lagerungstechnik Fraureuth GmbH, ein mittelständisches Unternehmen mit Produktionsstandort in Deutschland, kann auf eine über 60-jährige Erfahrung in der Herstellung von Kugel- und Rollenlagern zurückblicken. Seit Jahren hat sich das Unternehmen unter anderem auf die Entwicklung von Sonderlösungen in direkter Zusammenarbeit mit den Anwendern konzentriert – darunter auch Hybridlager als stromisolierende Lager. MM

* Weitere Informationen: Spindel- und Lagerungstechnik Fraureuth GmbH in 08427 Fraureuth

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